Saulės elementai yra nemechaniniai įtaisai, kurie naudoja puslaidininkius, kad saulės šviesą tiesiogiai paverstų elektra per fotovoltinį efektą. Intuityviai žmonės gali manyti, kad saulės elementai klesti esant intensyviai saulės šviesai, bet ar taip yra iš tikrųjų?
Žmonija jau seniai naudoja saulės energiją, ir yra trys pagrindiniai jos konvertavimo būdai: fotovoltinė konversija, fototerminė konversija ir fotocheminė konversija. Fotovoltinė (FV) energijos gamyba, kai saulės šviesa paverčiama elektra, yra vienas efektyviausių saulės energijos panaudojimo būdų.
Fotovoltinį efektą pirmą kartą 1839 m. pastebėjo prancūzų mokslininkas Edmondas Becquerelis, ir tai reiškia elektrinio potencialo susidarymą, kai šviesa atsitrenkia į puslaidininkį. Vėliau Einšteinas šį efektą paaiškino remdamasis šviesos kvantine teorija, kuri jam pelnė 1921 m. Nobelio fizikos premiją.
Skirtingai nuo fotoelektrinio efekto, kuris atsiranda, kai šviesa krinta į vieną laidininką, fotovoltinis efektas atsiranda dviejų puslaidininkinių plokščių sandūroje. Kai jos sujungtos laidu, ši riba sukuria elektrinį lauką, leidžiantį tekėti srovei.
Taigi, kaip saulės elementai paverčia saulės šviesą elektra? Saulės šviesa yra plataus spektro elektromagnetinė spinduliuotė. Kai ji patenka į saulės elementą, spinduliuotė gali atsispindėti, sugerti arba praeiti pro ją. Tik sugerta spinduliuotė paverčiama elektros energija.
Silicio pagrindu pagamintiems puslaidininkiams elektronui iš atomo išmušti reikia 1,11 elektronvolto (eV) energijos. Tik fotonai, kurių energija didesnė už šią ribą, gali generuoti elektrą. Tačiau didesnės energijos fotonų energijos perteklius prarandamas kaip šiluma, todėl saulės baterija įkaista ir jos temperatūra gali pakilti aukščiau aplinkos oro temperatūros.
Priešingai populiariam įsitikinimui, silicio pagrindu pagaminti saulės elementai iš tikrųjų teikia pirmenybę vėsesnei aplinkai, nors jiems vis tiek reikia saulės šviesos. Kylant temperatūrai, saulės baterijos gamina mažiau energijos, nepaisant to, kad gauna tą patį saulės šviesos kiekį.
Aukšta temperatūra daugiausia sumažina atvirosios grandinės įtampą (įtampa, kai srovė neteka), nors trumpojo jungimo srovė (srovė, kai elementas yra trumpai sujungtas) išlieka santykinai stabili. Tai reiškia, kad aukštesnė temperatūra sumažina efektyvumą ir išėjimo galią.
Saulės elementai paprastai bandomi standartinėje 25 °C (77 °F) temperatūroje. Kai plokštės temperatūra pasiekia 60 °C (140 °F) ar daugiau, jos galia gerokai sumažėja. Padidėjus temperatūrai vienu laipsniu, trumpojo jungimo srovė padidėja tik 0,04 %, o atvirosios grandinės įtampa sumažėja 0,4 %.
Nors vasarą efektyvumas sumažėja, dėl gausaus saulės šviesos kiekio šiuo metų laiku vis tiek gaminama daugiau energijos, palyginti su kitais metų laikais.
Kaip atvėsinti saulės baterijas
Kaip ir kiti elektroniniai prietaisai, saulės baterijos geriau veikia esant vėsesnei temperatūrai. Kadangi jos energiją gauna iš saulės šviesos, o ne iš šilumos, jos geriausiai veikia šviesiomis, bet vėsiomis sąlygomis.
Ar turėtume pastatyti pavėsį, kad vasarą atvėsintume saulės baterijas? Žinoma, ne! Saulės šviesos blokavimas panaikintų saulės baterijos paskirtį. O kaip dėl apsaugos nuo saulės priemonių naudojimo? Ne, fizinių barjerų naudojimas sumažintų šviesos absorbciją, o cheminiai metodai nepadėtų sumažinti temperatūros.
Natūrali ventiliacija yra efektyvus ir ekonomiškas būdas vėsinti ant stogo montuojamas saulės baterijas. Montuojant baterijas su tarpu tarp jų ir stogo, oras gali cirkuliuoti ir jas atvėsinti. Tačiau svarbu neleisti lapams ir šiukšlėms patekti į tarpą, kad būtų palaikomas oro srautas ir išvengta perkaitimo.
Tyrėjai taip pat tyrė įvairius aušinimo metodus, skirtus saulės baterijų efektyvumui pagerinti. Be natūralios ventiliacijos, buvo ištirtas priverstinis oro aušinimas ir fotovoltinis-terminis aušinimas (PVT), kurie suteikė vertingų įžvalgų apie plokščių temperatūros mažinimą ir energijos gamybos didinimą.
Saulės elementams, švarios energijos pasiuntiniams, toliau integruojantis į mūsų gyvenimą, jie atneša naują mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančių, aplinkai nekenksmingų sprendimų bangą.
